Energia - źródła energii

Czy energia jest nam potrzebna?

RODZAJE ENERGII
Energia zawsze była i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej wykorzystywanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej do produkcji energii elektrycznej, w transporcie, ogrzewaniu domostw i oświetlaniu.

Źródła energii pierwotnej to: konwencjonalne (organiczne) paliwa kopalne ( węgiel, ropa, gaz ), paliwo jądrowe, energia geotermiczna i tzw. odnawialne źródła energii. Do odnawialnych źródeł energii zalicza się energię słoneczna, wodną, wiatrową, pływów i fal morskich, a także energie biomasy. Energia końcowa to energia dostarczana odbiorcy. jest na ogół inną przetworzoną formą energii pierwotnej, choć nie zawsze. Na przykład gaz ziemny jest jednocześnie pierwotnym i końcowym nośnikiem energii. Najcenniejsza forma energii końcowej jest energia elektryczna, która sprawnie i bez zanieczyszczenia środowisko przetwarza się w energię użytkową.

Takie surowce energetyczne jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny to konwencjonalne źródła energii. Perspektywy wyczerpania się paliw kopalnych oraz obawy zanieczyszczenia środowiska naturalnego znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii.

ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII

Energia słoneczna
Energia cieplna pochodząca z promieniowania słonecznego dociera do nas nie tylko wtedy gdy słońce świeci pełnym blaskiem, ale również przy ciemnym zachmurzonym niebie. Energia ta jest najbezpieczniejsza ze wszystkich źródeł uzyskiwania energii. Jest ogromna, ale bardzo rozproszona. By wytworzyć z niej energię elektryczna buduje się elektrownie i ogniwa fotowoloiczne. Do budowy elektrowni wykorzystuje się stal i cement, a do produkowania ogniw - arsen, selen i tellur, czyli pierwiastki toksyczne. Większość tych substancje ulatnia się do atmosfery, zanieczyszczając ją.

Wszystkie domy ogrzewane są przez słońce, ale tylko niektóre są skonstruowane tak, aby uzyskać jak najwięcej energii cieplnej. W takich domach buduje się specjalne okna od strony bardziej nasłonecznionej, a na dachach umieszcza się panele, przez która przepływa zimna woda, która pod wpływem promieni słonecznych nagrzewa się.

Baterie słoneczne, czyli urządzenia elektroniczne też produkują energię elektryczną. Wykorzystują one zjawisko fotowotloiczne do przemiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża liczba ogniw wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy.

ELEKTROWNIE SATELITARNE
Innym rozwiązaniem umożliwiającym szersze spożytkowanie energii słonecznej jest rozwijanie elektrowni satelitarnych. Elektrownie słoneczne umieszczone na satelitach geostacjonarnych wykorzystują fakt, że promieniowanie słoneczne na orbicie takiego satelity pozwala na uzyskanie co najmniej 10 razy więcej energii niż na Ziemi. Energia ta w postaci fal ultrakrótkich byłaby przesyłana na Ziemię, gdzie z dużą wydajnością byłaby zamieniana na energię elektryczną.

Stan nieważkości na orbicie okołoziemskiej stwarza możliwość montowania w kosmosie konstrukcji gigantycznych rozmiarów, przy użyciu mniejszych niż na Ziemi ilości materiałów..
Kontrowersje budzi także fakt, że do wyniesienia na orbitę materiałów potrzebnych do budowy elektrowni słonecznej niezbędna jest duża ilość startów promów kosmicznych powodujących skażenie atmosfery.

Wszystko to są technologie przyszłego stulecia. Uruchomienie pierwszej takiej instalacji planuje się na ok. 2030 r.

Energia wiatrowa
Wiejący wiatr to masy powietrza atmosferycznego poruszające się nad powierzchnią ziemi z pewna prędkością. Masa i prędkość to energia. Energię wiatru można okiełzać i wykorzystać przy pomocy turbin wiatrowych. Elektrownie wiatrowe produkują energia, która wprowadzana jest do sieci energetycznych. Turbiny wiatrowe produkują energię w sposób ekologicznie bezpieczny, jednak niektórzy zarzucają im, że szpecą krajobraz, zakłócając jego naturalne piękno i hałasując.

Energetyka wiatrowa staje się coraz powszechniejsza na świecie. Jej rozwój w nowoczesnej formie datuje się od lat 70-tych. Obecnie moc wszystkich elektrowni wiatrowych na świecie sięga 8000MW.

Dzięki sile wiatru człowiek był w stanie przed pięciuset laty rozpocząć odkrywanie nowych lądów. Żagle pozostały głównym napędem statków do czasów wynalezienia silnika.

Takie wiatraki są charakterystycznym elementem krajobrazu Holandii i USA.

Energia jądrowa
Wyzwolenie energii jądrowej polega na rozszczepieniu jądra ciężkiego atomu, złożonego z protonów i neutronów, na dwa jądra pierwiastków lżejszych, wydzielając w skutek ubytku masy energię cieplną i wyzwalając od 0 do 8 neutronów. Wyemitowane neutrony mogą trafić w inne jądra, które ulegają rozszczepieniu. W rezultacie powstaje coraz więcej swobodnych neutronów i coraz więcej jąder ciężkich atomów rozszczepia się, co zwiększa porcję energii.

Oprócz zjawiska rozszczepiania jąder ciężkich atomów energię możemy otrzymać także innym sposobem. Poprzez tzw. "syntezę jądrową", polegająca na łączeniu dwóch jąder lekkich atomów w jedno jądro atomu ciężkiego. Energia wydziela się w skutek różnicy mas pomiędzy substratami a produktami reakcji.

Energetyka jądrowa była do niedawna najszybciej rozwijającą się dziedziną produkcji energii. Wynikało to głównie z ogromniej wydajności pierwiastków promieniotwórczych, a więc niskich kosztów wytwarzania energii. Przykładem tego będzie następujące porównanie : z 1 grama uranu 235 uzyskuje się tyle samo energii elektrycznej, ile w tradycyjnej elektrowni cieplnej z 2,5 tony paliwa umownego.

Obecnie ok. 19% światowej produkcji energii elektrycznej przypada na elektrownie atomowe. Udział energii utrzymuje się na niezmiennym poziomie od początku lat 80-tych.

Główne przyczyny to:
- wysokie koszty budowy elektrowni,
- problem składowania odpadów radioaktywnych,
- negatywne nastawienie opinii publicznej - zwłaszcza po pamiętnej katastrofie w Czarnobylu na Ukrainie w 1986 r. (zdj.)

Elektrownie jądrowe podczas eksploatacji wywierają negatywny wpływ na środowisko poprzez :
- wydzielanie produktów promieniotwórczych do atmosfery
- wydzielanie ciepła odpadowego do wody chłodzącej
- podczas produkcji paliwa jądrowego powstają również odpady radioaktywne.

Energia geotermiczna
Energia geotermiczna to energia wydobytych na powierzchnię ziemi wód geotermalnych. Energię tę zliczamy do kategorii energii odnawialnej, bo jej źródło - gorące wnętrze kuli ziemskiej - jest praktycznie niewyczerpalne. W celu wydobycia wód geotermalnych na powierzchnię wykonuje się odwierty do głębokości zalegania tych wód.

W pewnej odległości od otworu czerpalnego wykonuje się drugi otwór, którym wodę geotermalną po odebraniu od niej ciepła, wtłacza się z powrotem do złoża. Wody geotermiczne są z reguły mocno zasobne, jest to powodem szczególnie trudnych warunków pracy wymienników ciepła i innych elementów armatury instalacji geotermicznych. Energie geotermiczną wykorzystuje się w układach centralnego ogrzewania jako podstawowe źródło energii cieplnej. Drugim zastosowaniem energii geotermicznej jest produkcja energii elektrycznej. Jest to opłacalne jedynie w przypadkach źródeł szczególnie gorących. Zagrożenie jakie niesie za sobą produkcja energii geotermicznej to zanieczyszczenia wód głębinowych, uwalnianie się rodanu, siarkowodoru i innych gazów.

Gorące źródła tzw. gejzery są charakterystycznym elementem krajobrazu Islandii, która wykorzystuje je jako źródło ogrzewania i ciepłej wody. Nie wpływa to ujemnie na środowisko naturalne.

Energia wodna
Energetyka wodna ( hydroenergetyka ) zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem na energię mechaniczną i elektryczną przy użyciu silników wodnych ( turbin wodnych ) i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych ( np. . w młynach ) oraz elektrowniach wodnych , a także innych urządzeń ( w elektrowniach maretermicznych i maremotorycznych) . Energetyka wodna opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu energii wód śródlądowych ( rzadziej mórz – w elektrowniach pływowych ) o dużym natężeniu przepływu i dużym spadzie – mierzonym różnicą poziomów wody górnej i dolnej z uwzględnieniem strat przepływu . Wykorzystanie w elektrowniach energii wód śródlądowych oraz pływów wód morskich polega na zredukowaniu w granicach pewnego obszaru ( odcinek strumienia , rzeki , część zatoki ) naturalnych strat energii wody i uzyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu . Poza energetycznym, elektrownie wodne zbiornikowe mogą spełniać jednocześnie inne zadania, jak zabezpieczenie przeciwpowodziowe, regulacja przepływu ze względu na żeglugę. Duże znaczenie mają elektrownie wodne szczytowo-pompowe, pozwalające na użycie wody jako magazynu energii. Rozwój hydroenergetyki jest uzależniony od zasobów energii wód, tak zwanych zasobów hydroenergetycznych. Dla Polski dominujące znaczenie ma hydroenergetyki maja dolna Wisła oraz Dunajec. W 1990 roku produkcja energii elektrycznej z energii wód w Polsce wynosiła 3,3 TW*h, a na świecie – około 2162 TW*h. Ostatnio coraz większą uwagę poświęca się energetycznemu wykorzystaniu niewielkich cieków wodnych przez budowę tak zwanych małych elektrowni wodnych; w pierwszej kolejności dotyczy to tych cieków, na których istnieją już urządzenia piętrzące wykorzystywane do innych celów. Za rozwojem hydroenergetyki przemawia fakt , że koszt energii elektrycznej produkowanej w elektrowni wodnej jest niższy niż energii elektrycznej produkowanej w elektrowni cieplnej .

Energia fal morskich
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną albo powietrzną. W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową Kaplana, sprzężona z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu. Instalacja taka pracuje od 1986r. na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen dając moc 350kW. Takie rozwiązanie jest znane pod skrótem OWC. W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale powietrze wprawia w ruch turbinę Wellsa, która napędza generator. Rozwiązanie takie jest znane pod skrótem MOSC. Na rysunku pokazano schemat takiej elektrowni, zbudowanej na wyspie Jslay u wybrzeży Szkocji. Norwegia buduje elektrownie wykorzystujące fale morskie o mocy MW na wyspie Tongatapu na południowym Pacyfiku, kosztem 7,1$.
Elektrownię typu MOSC projektuje się obecnie w Szkocji. Będzie ona miała moc 2000MW i będzie składała się z modułów po 5MW. Będzie ona też ochraniała brzeg morski przed zniszczeniem.

Energia cieplna oceanu
Przemiana energii cieplej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest to możliwe na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę ok. 30 0C, a na głębokości 300-500m temperaturę ok. 7 0C. Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300-500m. Czynnikiem takim jest amoniak, freon lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na platformie pływającej

Biomasa
Biomasę określa się jako masę materii organicznej, zawartą w organizmach zwierzęcych lub roślinnych. Wyrażana jest w jednostkach tzw. świeżej masy (naturalna masa organizmów) oraz suchej masy (masa bezwodna).

Termin biomasa dotyczy całego szeregu odnawialnych technologii energetycznych, obejmujących:
- spalanie biomasy roślinnej (np. drewno opałowe z lasów, odpady drzewne z tartaków, zakładów meblarskich i in., słoma, specjalne uprawy energetyczne; spalanie biomasy może tu odbywać się:
- w sposób bezpośredni - w paleniskach otwartych (ogniska) lub zamkniętych (piece, kotły),
- przy wstępnej gazyfikacji w odrębnych gazyfikatorach, a następnie poprzez spalanie otrzymanego w ten sposób gazu palnego np. w kotłach lub zasianie nim silników spalinowych.
- spalanie śmieci komunalnych (wstępna gazyfikacja lub metoda bezpośrednia);
- wytwarzanie oleju opałowego z roślin oleistych (np. rzepak) specjalnie uprawianych dla celów energetycznych);
- fermentację alkoholową trzciny cukrowej, ziemniaków lub dowolnego materiału organicznego poddającego się takiej fermentacji, celem wytworzenia alkoholu etylowego do paliw silnikowych,
- beztlenową fermentację metanową odpadowej masy organicznej (np. odpady z produkcji rolnej lub przemysłu spożywczego) w celu wytworzenia biogazu, a następnie spalanie biogazu w paleniskach kotłowych lub zasilanie nim silników spalinowych, napędzających np. generatory prądu elektrycznego,
- energetyczne wykorzystanie gazu wysypiskowego (stosowana jest technologia odmienna niż w poprzedniej kategorii).

Obecnie w Polsce biomasa wykorzystywana w przemyśle energetycznym pochodzi z dwóch gałęzi gospodarki: z rolnictwa i leśnictwa. Poniżej przedstawione zostały produkty wykorzystywane przy pozyskiwaniu energii.

W roku 1984 biomasa roślinna pokrywała 13% światowej produkcji energii, w tym Kanada pokrywała biomasą 7% potrzeb energetycznych, a USA 4% potrzeb. W roku 1990 udział biomasy w światowej produkcji energii wynosił 12%. Ogólnie z 1 ha użytków rolnych zbiera się rocznie 10-20 t biomasy, czyli równowartość 5 - 10 ton węgla. Rolnictwo i leśnictwo zbierają w Polsce biomasę równoważną pod względem kalorycznym 150 mln ton węgla. Wartości opałowe produktów biomasy na tle paliw konwencjonalnych wynoszą: słoma żółta 14,3 MJ/kg, słoma szara 15,2 MJ/kg, drewno odpadowe 13 MJ/kg, etanol 25 MJ/kg, natomiast węgiel kamienny średnio około 25 MJ/kg, a gaz ziemny 48 MJ/kg. Szczególnie cenne energetycznie są słomy rzepakowa, bobikowa i słonecznikowa, zupełnie nieprzydatne rolnictwie. Wykorzystanie słomy w 16% daje potencjał 80 PJ energii. W Danii na przykład istnieje 12 000 małych (o mocach 110 MW) i 40 dużych kotłowni opalanych słomą. W Polsce nie ma ani jednego takiego obiektu, pilotowe kotłownie do spalania biomasy będą budowane w najbliższym czasie. Jeśli zaś chodzi o całkowitą biomasę drzew, to jest ona dwukrotnie większa niż produkcja drewna użytkowego. Można zatem stwierdzić, że najpoważniejszym źródłem biomasy jako źródła energii odnawialnej w Polsce są słoma i odpady drzewne.

ROPA NAFTOWA
Istnieją dwie teorie dotyczące pochodzenia ropy naftowej. Według jednej z nich jest ona nieorganiczna. Powstaje w wyniku reakcji chemicznych zachodzących we wnętrzu ziemi. Teorie tę popiera nieliczna grupa badaczy. Powszechnie natomiast przyjmuje się, że ropa naftowa ma pochodzenie organiczne. Powstała ze szczątków organizmów roślinnych i zwierzęcych, które w dawnych okresach geologicznych występowały na Ziemi, w morzach i oceanach. Po śmierci osunęły się w błoto na dno morza. Ciepło z głębokich podziemnych rejonów i rosnący ciężar tego błota przemieniły je w ropę naftową, która wytryskuje z wnętrza Ziemi zwykle jako gęsty, czarny, surowy olej. Aby dowiedzieć się gdzie szukać jej złóż należy wykonać odpowiednie badania geologiczne. Potencjalnym miejscem jej występowania są pokłady skał nieprzepuszczalnych pokrywające położone głębiej skały przepuszczalne. Skład ropy jest zmienny i zależy od miejsca wydobycia. Jest przerabiana metodami : destylacji, krystalizacji i rafinacji. Podczas gdy ropa jest ogrzewana, ulatniają się par, które są rozdzielane według temperatury wrzenia i skraplania w specjalnych zbiornikach. Powstałe produkty, zwane destylatami, są podstawą do dalszej obróbki w wyniku której otrzymujemy : chemikalia, tworzywa sztuczne, detergenty, gumy, kosmetyki, środki znieczulające, materiały wybuchowe, kleje, farby.

Ropa naftowa nie jest nowością. Znano ją w już starożytności. Wykorzystywano do balsamowania ciał, robienia pochodni, jako leki, a także w technice wojennej jako środek zapalający. Jest ona głównym źródłem energii w transporcie. Podczas jej przewozu dochodzi do katastrof, które wyrządzają duże szkody w środowisku naturalny, skażenia wód oraz zanieczyszczenia fauny i flory. Ropa wylana na powierzchnię morza, może wyrządzić ogromne straty w środowisku, konieczna jest wtedy szybka akcja ratownicza. Gdy plama ropy osiągnie wybrzeże czyszczenie plaży jest czasochłonne i kosztowne.

GAZ ZIEMNY
Jest mieszaniną palnych węglowodanów, o najmniejszych cząsteczkach. Może towarzyszyć ropie naftowej